用于PPLN 泵浦源的大能量百纳秒级脉冲固体激光器

汪水兰王 睿蒋星晨程德华岱 钦杨振中王金凯

(1.沈阳理工大学 理学院，沈阳 110159；2.航天长征化学工程股份有限公司，北京 101111)

百纳秒调Q 脉冲固体激光器常用于激光工艺、大气与环境监测、光电对抗等领域，也是研发激光测风雷达的基础，在国防工业中发挥着重要作用，一直是引发关注的热点研究内容。 目前大能量、百纳秒脉冲激光主要通过两种方式获取:驻波谐振腔内利用Q 开关的调制实现百纳秒激光的输出，同时在谐振腔外的光路中插入调制器，对输出的激光进行调制，筛选出百纳秒大能量脉冲激光输出，该方式获得的脉冲激光单脉冲能量低、电光转换有效利用率低、电路控制要求高；利用种子源放大获取大能量脉冲激光，种子源采用半导体激光器输出超低能量的脉冲激光，再通过激光放大系统实现百纳秒大能量激光输出，目前研究中该方法较为常用[1－3]。

Yumoto 等[4]研究了百纳秒级大能量脉冲固体激光器，在重复频率为10 Hz 时，成功获得了单脉冲能量为128 mJ、脉冲宽度为160 ns 的激光输出，斜效率为14%。 蔡宇航等[5]设计了4 腔镜8字环形激光谐振腔及侧面抽运楔形镜光学耦合系统，在激光重复频率为1 Hz 时，单脉冲能量达到141 mJ，激光脉冲宽度为103 ns，但其光束质量欠佳。 Yu 等[6]采用传导冷却激光器实现了10 Hz重复频率下的基横模调Q 脉冲激光输出，激光脉冲宽度约为185 ns，最大输出脉冲能量达到115 mJ。 Shu 等[7]采用循环水冷方式的三向侧面抽运激光器实现了1 Hz 的调Q 脉冲序列激光输出，脉冲宽度约为100 ns，最大输出单脉冲能量达到106 mJ，但出光阈值较高。

本文通过脉冲氙灯泵浦激光放大技术，在低重复频率下获得大能量、高光束质量的激光输出。首先对激光输入能量和谐振腔长度与激光输出脉宽的关系进行理论分析，然后对Nd∶YAG 脉冲固体激光器的光路进行实验设计，采用振荡－放大结构和电光调Q 技术，利用多组反射镜增加谐振腔长度，获得质量优良的1 064 nm 激光输出，并将其作为基频光泵浦周期极化LiNbO3(PPLN)晶体，获得稳定的信号光输出。

1 理论分析

由于Q 开关脉冲的持续时间很短，调Q 速率方程中可忽略自发辐射项和光泵浦项，在此近似条件下得到其表达式为[8]

式中:ϕ为光子数密度；t为激光脉冲的持续时间；σ为受激发射截面面积；n为反转粒子数密度；l为激光工作物质长度；γ为反转粒子数减少因子；tr＝2L′/c，为光在谐振腔内往返一次所用时间，其中L′为谐振腔的长度，c为真空中的光速；tc＝tr/[ln(1/R) ＋L]，为腔内光子寿命，其中L为谐振腔除透射损耗之外的其他损耗，R为激光输出镜反射率。

由式(1)和式(2)可得到脉冲宽度的计算式为

式中:Δtp为脉冲宽度；ni、nf和nt分别为初始、最终和阈值反转粒子数密度。

当腔内光子数达到最大值时，激光器输出的峰值功率PM和脉冲能量E的计算可分别表示为

式中:h为普朗克常量；v为中心频率；ϕM为最大光子密度；fs、fx为与频谱宽度有关的量；ΔNi、ΔNf和ΔNth分别为初始、最终和阈值反转粒子数。

脉冲宽度Δtp可由Δtp＝E/PM计算，将式(4)和式(5)及tc、tr的表达式代入，可得

式中T为输出耦合镜透过率，T＝ln(1/R)。

由式(6)可以看出，当T和L一定时，输出脉冲宽度Δtp与L′成正比，谐振腔的腔长越长，脉宽越宽[10]。

2 实验研究

2.1 泵浦光激光器设计方案

振荡－放大系统激光器[11]中振荡器以牺牲脉冲能量和功率为代价，产生脉冲宽度、谱线宽度和光束质量优良的激光输出，放大器对脉冲能量和功率进行放大，两者结合，输出激光具有较高的能量和峰值功率[12]。

老年人随着年龄的增长，身心功能逐渐退化，慢性病发病率高，多有身体功能受限或残疾的发生［1］。良好的居家康复护理不仅可以延迟或恢复其自理能力的丧失，缓解慢性病痛，还可以节约医疗成本，减轻患者家庭的经济负担［2-4］。我国老年居家康复护理尚处于起步阶段，现就我国老年居家康复护理的现状及研究进展综述如下。

本文设计的1 064 nm 激光光路如图1 所示。一个由脉冲氙灯作为泵浦源的Nd∶YAG 晶体棒和一个电光调Q 器件构成一级振荡加一级放大的Nd∶YAG 电光调Q 固体激光器，利用多组反射镜将振荡器的腔长设计为约3.3 m，另一个Nd∶YAG晶体棒作为放大器置于振荡器输出镜之后。 图1中M1 ~M7 均为1 064 nm 激光的全反镜，用于增加谐振腔的腔长；OM 为输出耦合镜；P 为偏振片；P1 和P2 分别为四分之一波片和半波片；EOM 为电光调制器。 当谐振腔内增益大于损耗，光在M1和OM 组成的谐振腔之间反复振荡形成振荡光，通过全反镜M8 和M9 反射进入放大器，最终获得大能量、百纳秒的1 064 nm 激光输出。

图1 1 064 nm 基频光实验光路图Fig.1 Optical path diagram of 1 064 nm fundamental light experiment

2.2 PPLN 耦合光路设计

PPLN－光学参量振荡器(PPLN-OPO)采用直腔结构，光路中基频光耦合光束特性对其输出影响较大。 如果基频光耦合光斑过大，聚焦光斑处能量密度低，光光转换效率低；如果基频光光斑过小，聚焦光斑处能量密度过高，PPLN 晶体容易损坏。 故需对基频光的光束进行整形和聚焦[13]，获得大小合适的聚焦光斑。 本文实验中根据基频光的输出能量和PPLN 晶体尺寸设计柱透镜组耦合系统，并利用Zemax 软件对光路进行设计模拟，与单透镜聚焦后的耦合光斑进行对比分析。

图2 为泵浦电压为1 400 V 时，耦合前的1 064 nm基频光光斑。 由图2 可见直径约为5 mm的圆形光斑。

图2 耦合前的1 064 nm 基频光光斑Fig.2 1 064 nm fundamental light spot before being coupled

本文设计平凸柱透镜与平凹柱透镜组合的基频光束耦合系统，将基频光的圆形光斑(光斑直径为5 mm)整形成与PPLN 晶体入射端面(端面尺寸为1 mm×10 mm)相匹配的椭圆形光斑，不仅可扩展非线性混频的区域，也可有效利用PPLN晶体的端面面积[14]。 基频光在PPLN 晶体内部没有实焦点，可有效降低光斑能量密度，降低晶体的损伤危险，增加PPLN 晶体所能承受的基频光能量。 柱透镜组示意图如图3 所示。 图中:f1为平凸柱透镜焦距；f2为平凹柱透镜焦距；d1为两个柱透镜的间距；d2为平凹柱透镜到平凸柱透镜焦点的距离；Win为入射光半径；Wout为出射光半径。

图3 柱透镜组示意图Fig.3 Schematic diagram of cylindrical lens group

由图3 可知，该系统高度方向的缩束倍率M为

为将圆形光斑整形成椭圆光斑，对耦合系统进行仿真分析，选用缩束倍率为12 的柱透镜组，其他具体参数如表1 所示。

表1 耦合透镜组的具体参数Table 1 Specific parameters of the coupling lens groups

在泵浦电压为1 400 V 时，经过平凸柱透镜与平凹柱透镜的耦合透镜组整形后的1 064 nm基频光光斑为大小约0.8 mm ×6 mm 的椭圆形，如图4 所示。 本文设计的耦合系统能够将基频光全部耦合进晶体内。

图4 经柱透镜组耦合整形后的1 064 nm 基频光光斑Fig.4 1 064 nm fundamental light spot after being coupled and shaped by a cylindrical lens group

对比图2 和图4，经柱透镜组耦合整形后得到的基频光光斑面积小于原基频光光斑面积，椭圆光斑形状更加匹配PPLN 晶体的端面，可有效利用PPLN 晶体的端面面积。

脉冲光峰值功率密度Ppd计算式为

式中S为光斑面积。

根据式(8)计算得到分别使用单个聚焦透镜和柱透镜组耦合后的基频光光斑的激光功率密度(模拟获得光斑面积)，如表2 所示。

表2 基频光功率密度对比Table 2 Comparison of the fundamental light optical power density

由表2 可知:当泵浦电压相同时，使用柱透镜组耦合整形后的光斑功率密度小于单个聚焦透镜整形后的光斑功率密度；当泵浦电压为1 400 V时，经过柱透镜组耦合后基频光的功率密度达到最大，为35.56 MW/cm2，低于PPLN 晶体的损伤阈值(50 ~60 MW/cm2)。

PPLN-OPO 光路如图5 所示。 图中PPLN 输入镜M12 为平平镜(前表面镀1 064 nm 高透膜及1 570 nm高反膜；后表面镀1 064 nm 减反膜)，输出镜M13 也为平平镜(镀透过率为25% 的1 570 nm膜及1 064 nm高反膜)，并在腔后放置近红外滤光片(780 ~2 500 nm)。

图5 PPLN-OPO 光路图Fig.5 Optical path diagram of PPLN-OPO

在光学参量振荡过程中，当基频光的功率密度足够高时，参量的增益大于其在谐振腔内的损耗，产生激光振荡，从而输出信号光和闲频光。 通过半波片调整基频光的偏振方向，使其满足MgO∶PPLN的O 型(e→e ＋e)准相位匹配[15]。 利用耦合透镜组将基频光整形为短轴长度小于1 mm的椭圆形光斑入射到OPO 谐振腔中。 非线性增益介质采用尺寸为1 mm ×10 mm ×50 mm的MgO∶PPLN 晶体，其前后端面均镀有对基频光(1 064 nm)、信号光(1.4 ~1.6 μm)和闲频光(3 ~5 μm)的增透膜，MgO 掺杂浓度(物质的量浓度)为5%，极化周期为单周期29.5 μm。

1 064 nm 基频光经过平凸柱透镜和平凹柱透镜压缩光斑竖直方向长度，提高了基频光功率密度。 通过调节两个耦合透镜之间的光学间隔可改变基频光束腰直径，使得被压缩的基频光束入射到后方OPO 谐振腔中，在PPLN 晶体中完成参量光的转换。 基频光入射到MgO∶PPLN 晶体后，在谐振腔的反馈下，产生光学参量振荡过程，获得近红外波段的信号光输出。

3 实验结果与分析

3.1 基频光光束特性分析

在放大电压为800 V、调Q 延时为195 μs、重复频率为1 Hz 时，测得输出1 064 nm 基频光的脉冲能量和脉冲宽度随泵浦电压的变化曲线，如图6 所示。

图6 脉冲能量和脉冲宽度随泵浦电压的变化Fig.6 Pulse energy and pulse width as a function of pump voltage

由图6 可以看出，在重复频率为1 Hz 时，随着泵浦电压的增大，1 064 nm 基频光的输出能量不断上升，当泵浦电压为1 400 V 时激光的输出能量达到171 mJ。 这是因为反转粒子的数量增多导致输出能量增大。 在1 Hz 的重复频率下，当泵浦电压提高时，泵浦速率随之增大，使得激光脉宽变窄，输出脉冲宽度变化范围为152.6~95.71 ns。

当泵浦电压为1 400 V 时的1 064 nm 基频光脉宽如图7 所示，可知脉宽为95.71 ns。

图7 1 064 nm 基频光脉宽Fig.7 Pulse width of 1 064 nm fundamental light

在泵浦电压为1 400 V 时，经过柱透镜组耦合整形后的基频光打在相纸上的实际形状如图8所示，透镜耦合后的基频光光斑从圆形整形成大小约为0.8 mm×8 mm 的椭圆形。

图8 泵浦电压为1 400 V 时相纸上的椭圆形光斑Fig.8 When the pump voltage is 1 400 V，elliptical spot on photo paper

3.2 PPLN-OPO 输出信号光波段分析

通过设计平凸柱透镜与平凹柱透镜组合而成的基频光光束耦合系统，实现了PPLN 光参量振荡系统的稳定运行，利用倍频陶瓷片观察PPLNOPO 输出光光斑形状，如图9 所示。 在倍频陶瓷片上可见红光的波长大约在600 ~760 nm 的范围内，可推断出输出信号光波长大致位于1 200 ~1 520 nm之间。

图9 信号光光斑形状Fig.9 Shape of signal light spot

使用近红外光谱仪测试室温下信号光的输出波长，输出光谱如图10 所示。

图10 室温下输出信号光光谱图Fig.10 Optical spectrum of output signal light at room temperature

由图10 可以看出，室温下PPLN-OPO 稳定输出1.47 μm 的信号光。

4 结论

本文在理论分析的基础上设计了Nd∶YAG脉冲固体激光器，谐振腔长度约为3.3 m，采用振荡－放大结构，设计了基频光的耦合系统，将圆形基频光整形为椭圆形，提高了PPLN 晶体端面面积的利用率，降低了PPLN 晶体的损伤风险。 实验结果表明:在重复频率为1 Hz 时，获得了脉宽在152.6 ~95.71 ns 范围内变化的1 064 nm 基频光输出，最大单脉冲能量可达171 mJ；采用耦合系统整形后的基频光泵浦PPLN 晶体，获得了稳定的1.47 μm 信号光输出。